青杨Populus-cathayana雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异-博士论文

D i f f e r e n tE c o p h y s i o l o g i c a lR e s p o n s e sb e t w e e nF e m a l e sa n dM a l e so f P o p u l u sc a t h a y a n aa n dT h e i rR e c i p r o c a lG r a f t i n gC o m b i n a t i o n st o D r o u g h ta n dL e a dS t r e s s e s B y Y i n gH a n S u p e r v i s o r ：P r o f C h u n y a n gL i P r o f M a o f i nW a n g AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt ot h eS i c h u a n U n i v e r s i t y I nP a r t i a lF u l f f i l m e n to ft h e R e q u i r e m e n t F o rt h eD e g r e eo f D o c t o ro f P h i l o s o p h y P l a n tE c o p h y s i o l o g ya n dM o l e c u l a rG e n e t i c sG r o u p C h e n g d uI n s t i t u t eo fB i o l o g y , t h eC h i n e s e A c a d e m yo f S c i e n c e s A p r i l ，2 0 1 3 目录 目录 摘要I A b s t r a c t I I I 第一章引言1 第一节研究依据1 第二节研究目的和研究内容3 第三节技术路线4 第二章国内外研究现状5 第一节植物对干旱胁迫、铅胁迫及早铅双重胁迫的响应5 1 植物对干旱胁迫的生理生态响应及研究进展5 2 植物对铅胁迫的生理生态响应及研究进展8 3 植物对重金属和干旱交互胁迫的生理生态响应及研究进展1 0 4 雌雄异株植物生理和形态差异1 1 第二节嫁接植物对非生物胁迫的响应1 2 1 嫁接植物对水分胁迫的生理生态响应及其研究进展1 2 2 嫁接植物对温度胁迫的生理生态响应及其研究进展1 3 第三章青杨雌雄植株对干旱胁迫、铅胁迫及其交互作用的响应差异1 8 第一节材料与方法1 8 1 材料与试验处理1 8 2 测定方法1 9 3 统计分析2 1 第二节试验结果2 2 1 铅、干旱及其交互胁迫下雌雄植株的干物质积累和分配差异2 2 2 铅、干旱及其交互胁迫下雌雄植株的气体交换和用水效率差异2 2 3 铅、干旱及其交互胁迫下雌雄植株的叶绿素荧光和淬灭参数差异2 7 4 铅、干旱及其交互胁迫下雌雄植株的铅吸收和转移差异2 7 5 铅、干旱及其交互胁迫下雌雄植株的植物重金属修复能力差异3 0 6 铅、干旱及其交互胁迫下雌雄植株的细胞超微结构差异3 2 第三节讨论3 4 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 第四章青杨雌雄嫁接植株对干旱胁迫的响应差异3 8 第一节材料与方法3 8 1 材料与试验处理3 8 2 测定方法3 9 3 统计分析4 0 第二节试验结果4 l 1 不同水分处理下雌雄交互嫁接植株的干物质累积和分配差异4 l 2 不同水分处理下雌雄交互嫁接植株的气体交换参数差异4 l 3 不同水分处理下雌雄交互嫁接植株的用水效率差异4 1 4 不同水分处理下雌雄交互嫁接植株的黎明前叶水势差异4 4 5 不同水分处理下雌雄交互嫁接植株叶肉细胞超微结构差异4 4 第三节讨论4 7 主要结论5 0 参考文献一5 1 附录6 9 博士在读期间论文发表情况一7 0 致谢7 1 声明7 2 摘要 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接 对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 植物学专业 研究生：韩颖 指导教师：李春阳研究员( 博士) 王茂林教授( 博士) 摘要 在中国，干旱和铅污染越来越成为限制森林生态系统生产力的重要因素，尤 其对雌雄异株森林生态系统构成了严重的威胁。本文选择青杨雌雄植株一年生扦 插幼苗为试验材料，采用盆栽试验的方法研究了重金属铅和干旱双重胁迫下雌雄 幼苗的形态生长特征、生理生化指标、细胞超微结构的响应差异以及对铅污染土 壤的修复潜力。为雌雄异株植物应对环境变化响应研究积累了重要的基础资料， 同时也为重金属污染样地植物修复树种的选择提供借鉴依据。此外，采用青杨雌 雄交互嫁接技术进一步探讨了雌雄青杨对干旱胁迫的差异响应机理。主要研究结 果如下： 1 青杨雌雄植株对干旱胁迫、铅胁迫及其交互作用的响应差异 叶面喷洒铅处理k 。f ) 、叶面喷洒铅和干旱组合处理( P h i 一干旱) 以及土壤 添加铅和干旱组合处理( P 6 s o i l - - 干旱) 明显影响了青杨雌雄植株的干物质积累、气 体交换参数、长期水分使用效率、叶绿素荧光参数以及细胞超微结构，并且相比 于雄性植株，雌性植株受到的不利影响更大。但是土壤添加铅处理( 户1 6 i l ) 几乎没 有对雌株和雄株的形态学和生理学特性产生影响。雌雄植株在尸6 。o i l 及P b 。o i l + 干 旱条件下的生物浓度因子( B C F ) 、容忍系数( 正) 和转移系数( 功以及根、茎和叶的 铅含量分析表明雌株和雄株分别适用于不同的植物修复策略：雄株有希望被开发 为植物固定候选树种；而雌株有希望被开发为植物提取候选树种。 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 2 青杨雌雄交互嫁接植株对干旱的响应差异 在水分亏缺条件下，雄根组合( F M 和M M ) L t 雌根组合( F F 和M F ) 有更高 的干物质积累( D M A ) 、根茎L L ( P S ) 、净光合作用速率限) 、黎明前叶水势( 怖d ) 以及长期水分利用效率( W U E ) ，并且其细胞超微结构损伤较轻。但是在水分充足 条件下，雌接穗组合( F F 和F M ) = L 雄接穗组合( M M 和M F ) 有较高的D M A 、R J S 和R ，以及较低的W U E 和d 。这些结果表明青杨雌雄植株对水分亏缺的敏 感性主要由定位于根部的机制驱动，而不主要依赖于地上部分的基因型。相反， 水分充足条件下，青杨雌雄植株的生长差异主要由地上部分驱动，很大程度上并 不依赖于根系统。此外，研究表明将雌性接穗嫁接到雄性砧木上可以有效提高青 杨雌株的水分亏缺容忍性。 关键词：青杨；雌雄异株；嫁接；干旱；铅胁迫；性别差异；植物修复 A b s t r a c t D i f f e r e n tE c o p h y s i o l o g i c a lR e s p o n s e sb e t w e e nF e m a l e sa n dM a l e so f P o p u l u sc a t h a y a n aa n dT h e i rR e c i p r o c a lG r a f t i n gC o m b i n a t i o n st o D r o u g h ta n d L e a dS t r e s s e s P h D C a n d i d a t e ：Y i n gH a n ( B o t a n y ) D i r e c t e db y ：P r o f C h u n y a n gL i P r o f M a o l i nW a n g A b s t r a c t D r o u g h ta n dl e a ds t r e s si si n c r e a s i n g l yo n eo ft h em a i ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r sc a u s i n g r e s t r i c t i o n so ff o r e s te c o s y s t e mp r o d u c t i v i t y ，e s p e c i a l l yf o rd i o e c i o u sf o r e s te c o s y s t e m ，i n C h i n a T h ee f f e c t so fl e a d ，d r o u g h ta n dt h e i rc o m b i n a t i o no nas e to fm o r p h o l o g i c a la n d p h y s i o l o g i c a lt r a i t s ，i n c l u d i n gd r y m a s sa c c u m u l a t i o na n d a l l o c a t i o n ，g a se x c h a n g e p a r a m e t e r s ，c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e ，P bu p t a k ea n dt r a n s l o c a t i o n ，c e l l u l a ru l t r a s t r u c t u r e ，a n d p h y t o r e m e d i a t i o np o t e n t i a lw e r ee v a l u a t e di no n e - y e a r - o l dp o t t e dm a l ea n df e m a l ec u t t i n go f P o p u l u sc a t h a y a n a T h e s es t u d i e sa c c u m u l a t ei m p o r t a n tf u n d a m e n t a ld a t at op r e d i c tt h e p e r f o r m a n c eo fe a c hs e x ，i e g r o w t h ，s u r v i v a la n dr e p r o d u c t i o n ，i nd i f f e r e n tm i c r oh a b i t a t s ， a n d ，w h i c ha l s op r o v i d et h eu s e f u lr e f e r e n c ef o rp h y t o r e m e d i a t i o nt r e es e l e c t i o na th e a v y m e t a l sp o l l u t i o nr e g i o n s B e s i d e s ，r e c i p r o c a lg r a f t i n gb e t w e e nd r o u g h tt o l e r a n c eP c a t h a y a n a m a l ea n dd r o u g h ts e n s i t i v e 户c a t h a y a n af e m a l es e p a r a t e dt h er o l e so ft h er o o ta n ds h o o ti n s e x - r e l a t e dd r o u g h tr e s p o n s e si nPc a t h a y a n am a l e sa n df e m a l e s T h em a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1 S e x - r e l a t e da d a p t i v er e s p o n s e st od r o u g h t ，P ba n dt h e i ri n t e r a c t i o n L e a d a p p l i e d o n t ol e a fs u r f a c e ( e b i e a f ) ，l e a d a p p l i e d i n t os o i lw i t h d r o u g h t I ( P b s 。i l + d r o u g h t ) a n dl e a da p p l i e do n t ol e a fs u r f a c ew i t hd r o u g h t ( J 劭l c a t + d r o u g h t ) s i g n i f i c a n t l y a f f e c t e dd r ym a s sa c c u m u l a t i o n ，p h o t o s y n t h e t i cr a t e ，l o n g - t e r mW U E ，p o t e n t i a lq u a n t u m y i e l do fP S I Ia n dc e l l u l a ru l t r a s t r u c t u r ei nP c a t h a y a n a ，a n dt h e r ew e r eg r e a t e rn e g a t i v e e f f e c t so nf e m a l e st h a nm a l e s H o w e v e r ，l e a da p p l i e di n t os o i lC 劭s o i l ) a l o n eh a r d l ya f f e c t e d t h e s em o r p h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lt r a i t si ne i t h e rs e x M o r e o v e r ，t h ee v a l u a t i o no f b i o c o n c e n t r a t i o n ( B C F ) ，t o l e r a n c ei n d e x ( 正) a n dt r a n s l o c a t i o nf a c t o r ( 功r e v e a l e dt h a t d i f f e r e n tp h y t o r e m e d i a t i o ns t r a t e g i e sc o u l db ee m p l o y e df o rm a l e sa n df e m a l e s ，m a l e sc o u l d p r o b a b l yb eu s e df o rp h y t o s t a b i l i s a t i o nw h e r e a sf e m a l e sf o rp h y t o e x t r a c t i o n 2 P h y s i o l o g i c a lr e s p o n s et od r o u g h ti nr e c i p r o c a lg r a f t i n gc o m b i n a t i o n sb e t w e e nm a l e sa n d f e m a l e so fP c a t h a y a n a D r o u g h t s t r e s s e dF Ma n dM Mh a dh i g h e rd r ym a t t e ra c c u m u l a t i o n ( D M A ) ，r o o t 。s h o o t r a t i o ( R S ) ，n e tp h o t o s y n t h e t i cr a t e ( in ) ，p r e - d a w nl e a fw a t e rp o t e n t i a l ( 怖d ) a n dw a t e ru s e e f f i c i e n c y ( 、肌J E ) ，a n dl e s sd a m a g et o c e l l u l a ru l t r a s t r u c t u r et h a nF Fa n dM F H o w e v e r , u n d e rw e l lw a t e r e dc o n d i t i o n s ，F Ma n dF Fh a dh i g h e rD M A ，R Sa n dP na n dl o w e rW I 厄 a n d 帅dt h a nM Ma n dM F T h e s er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e n s i t i v i t yo fPc a t h a y a n am a l e s a n df e m a l e st ow a t e rs t r e s si sp r i m a r i l yd r i v e nb ym e c h a n i s m sl o c a l i z e di nt h er o o t s ，w i t h o u t m a j o rd e p e n d e n c eo nt h eg e n o t y p eo ft h es h o o t s H o w e v e r , u n d e rw e l lw a t e r e dc o n d i t i o n s ， t h eg r o w t hd i f f e r e n c eo fm a l e sa n df e m a l e si sp r i m a r i l yd r i v e nb yt h es h o o t s ，a n di sl a r g e l y i n d e p e n d e n tf r o mt h er o o t s B e s i d e s ，g r a f t i n gf e m a l es h o o ts c i o no n t om a l er o o t s t o c ki s a v e r ye f f e c t i v em e a n s t oi m p r o v ew a t e r - s t r e s sr e s i s t a n c ei nP c a t h a y a n af e m a l e s K e yw o r d s ：P o p u l u sc a t h a y a n a ，d i o e c i o u s ，g r a f t ，d r o u g h t ，P bs t r e s s ，s e x u a ld i f f e r e n c e s ， p h y t o r e m e d i a t i o n 第一章引言 第一章引言 第一节研究依据 随着全球气候变暖和温室效应加剧，以及全球生态环境不断恶化，干旱已经成为威 胁人类生存和发展的主要灾害。目前全球森林系统正面临着极大的“干旱致死”风险。 另一方面，铅做为对环境威胁最大的污染物之一，在土壤中长期存在，并且对植物、动 物和人类有很强的毒性。中国拥有丰富的铅矿资源，是世界上最大的铅生产基地，中国 自二十世纪以来增加的铅矿开采已经明显增加了空气铅排放和土壤铅污染( F e n ge ta 1 2 0 0 6 ；B ie ta 1 ，2 0 0 6 ) 。铅即不参与植物体的结构组成，也不参与细胞的代谢活动，但易 被植物根部吸收，从而对植物产生毒性，是目前中国乃至世界土壤一植物生态系统中主 要的重金属污染物，对森林生态系统构成一定的威胁。空气铅和土壤铅可以改变森林生 态系统结构、动力学以及多样性，影响铅敏感树种的生长和发育，并减少其种群数量甚 至导致其灭绝和消失。研究表明在全球生态环境变化的大背景下，未来重金属和干旱这 两个胁迫因子的结合会更加广泛( I P C C ，2 0 0 1 ；P e n u e l a s & F i l e l l a ，2 0 0 2 ) 。在中国，铅矿分 布区和干旱分布区大部分交叠在一起，这两种环境胁迫因子频繁共存于森林生态系统， 对森林生态系统构成了严重的威胁。尽管目前许多被子植物对单独的干旱胁迫以及单独 的铅胁迫的生理、生态和生化响应已逐步得以报道，但是有关重金属和干旱交互作用这 一主题的知识却相当匮乏，其中关于干旱和铅的交互研究也很少见。 值得注意的是在植物界3 0 多万种被子植物中还存在4 - 1 0 的雌雄异株植物( L l o y d ， 1 9 8 2 ；R i c h a r d s ，1 9 8 6 ) ，据R e n n e r & R i c k l e f s ( 1 9 9 5 ) 对2 4 万种被子植物的调查表明，雌雄 异株植物占9 5 9 个属，共计1 4 6 2 0 种。而在森林生态系统中，有1 6 个科为雌雄异株或 部分雌雄异株。常见树木如千年桐、猕猴桃、银杏、香榧、桑树、白蜡树、花椒，棕榈、 杨树和柳树都属于雌雄异株。雌雄异株植物由于存在不同的生殖资源投入问题，在长期 的进化过程中，一些物种的雌雄株性比偏离1 ：1 。在资源匮乏的环境中，雌雄异株植物 种群性比偏雄性， 相反性比偏雌I 生( D a w s o n & B l i s s ，1 9 8 9 ，1 9 9 3 ；D a w s o n & E h l e r i n g e r , 1 9 9 3 ) 。全球变化所导致的资源可利用性和分布格局的改变以及环境污染的加剧可能会 进一步加剧雌雄异株植物的性比偏离，并导致雌雄异株植物繁殖成功率急剧下降。其中 水资源的匮乏和铅污染可能会导致持续生境片断化，最终导致物种多样性丧失。而相比 其他物种，雌雄异株植物种群大小和结构更易改变，对生境片断化更加敏感。因此，开 展雌雄异株树种对重金属铅和干旱交互作用的研究，对于维持森林生态系统的稳定性十 分关键。 尽管目前已经开展了一些有关雌雄异株植物对干旱胁迫响应及机理的研究，但是先 前研究主要集中于叶片的研究，如光合效能、用水效率、蒸腾速率和抗氧化防御系统等， 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 而对植物的地下部分研究还未见报道( D a w s o n & B l i s s ，1 9 8 9 ，1 9 9 3 ；D a w s o n E h l e r i n g e r ， 1 9 9 3 ；X ue ta 1 ，2 0 0 8 a ，2 0 0 8 b ；Z h a n ge ta 1 ，2 0 1 0 ) 。这可能是由于方法学的困难，导致根的 结构以及生物量积累等很难实现原位观察和测量。但是尽管如此，根特性仍然可能在性 相关的生理差异中发挥关键作用。为了准确预测每个性别在不同微生境下的生长、存活 和繁殖，亟待需要补充更多的有关性差异的地上和地下部分生理学信息。 嫁接指的是把一个植物组织插进另一个植物组织，使两个维管组织融合在一起成为 一个完整的植株。被挑选作为根或将来发育成根的植物称之为砧木，被挑选做为地上部 分的植物称之为接穗( H o t t e s ，1 9 2 5 ) 。通过嫁接可以巧妙地把植物的地上部分和地下部分 连接在一起，可作为一种手段来区分植物地上部分和地下部分在一些生理学过程中所发 挥的不同作用( J e f f e r i e s ，1 9 9 3 ；A l b a c e t ee ta 1 ，2 0 0 9 ；A s i n se ta 1 ，2 0 1 0 ) 。因此通过对雌雄地 上部分和地下部分的交互嫁接，可以确定雌雄对环境胁迫的差异响应是由根表达的特性 决定，还是由地上部分表达的特性决定，抑或由植株整体表达的特性决定。此外，嫁接 也被广泛用于增强植物对非生物胁迫的抗l 生( C o l l ae ta 1 ，2 0 1 0 ；R o u p h a e le ta 1 ，2 0 0 8 ； R i v e r oe ta 1 。2 0 0 3 ；L i a o L i n ，1 9 9 6 ；G a r c i a - S i n c h e ze ta 1 ，2 0 0 7 ) 。通过嫁接有可能改善雌 株的逆境容忍能力，对于改善雌株的存活、繁殖和提高雌雄性比将发挥重要作用。 第一章引言 第二节研究目的和研究内容 1 研究目的 本试验通过控制水分和重金属铅含量的方法对不同性别的青杨植株进行处理，研究 干旱及重金属铅交互胁迫下雌雄植株之间在外部形态特征、生物量分配、光合作用能力、 叶绿素荧光特性、细胞超微结构以及植物修复相关参数等方面的响应差异，探究青杨雌 雄植株间在水分亏缺和重金属铅交互胁迫方面的不同对策，以便更好地了解雌雄异株植 物对干旱和铅双重胁迫的响应机制。另外通过叶面添加铅( P b l 。f ) 和土壤添加铅( P b 。i l ) 研 究不同铅沉降方式对不同性别青杨植株的影响，为杨树的重金属铅修复技术提供更加全 面的参考。除此之外，通过对青杨雌雄交互嫁接材料的干旱胁迫处理，研究不同嫁接组 合对干旱的响应差异，探讨植株的地上部分和地下部分在青杨雌雄干旱差异响应中发挥 的作用，以及嫁接是否可以作为一种有效的育种手段，用以提高青杨雌株的抗旱性。 2 研究内容 研究内容包括两个部分： 第一部分研究不同水分、不同铅浓度、不同铅沉降方式及其交互作用条件下青杨雌 雄株( 1 ) 生物量积累和分配的响应。测定不同处理下雌雄植株幼苗根、茎和叶生物量 的变化。( 2 ) 光合机构、光合性能以及色素含量的响应。测定不同处理下，雌雄植株幼 苗叶绿素荧光参数、光合作用参数及色素含量的变化。( 3 ) 叶肉细胞超微结构的变化。 测定在不同处理下，雌雄植株幼苗叶肉细胞叶绿体、线粒体、细胞壁、细胞膜以及细胞 核的超微结构变化。( 4 ) 铅含量的变化。测定在不同处理下，雌雄植株幼苗根、茎和叶 的铅浓度变化。( 5 ) 在P b 。o i l 处理下，植物修复相关参数的变化。测定在尸6 l s o i l 及尸1 6 一 干旱处理下，雌雄植株幼苗转移系数、容忍系数及生物浓度因子的变化。 第二部分研究不同水分条件下青杨雌雄交互嫁接植株( 1 ) 生物量积累和分配的响 应。测定不同水分条件下，雌雄嫁接植株根、茎和叶生物量的变化。( 2 ) 光合性能的响 应。测定不同水分条件下，雌雄嫁接植株幼苗气体交换参数的变化。( 3 ) 水分利用效率 的响应。测定不同水分条件下，雌雄嫁接植株幼苗长期水分利用效率的变化。( 4 ) 水势 的响应。测定不同水分条件下，雌雄嫁接植株幼苗黎明前叶水势的变化。( 5 ) 叶肉细胞 超微结构的变化。测定在不同水分条件下，雌雄嫁接植株幼苗叶肉细胞叶绿体、线粒体、 细胞壁、细胞膜及细胞核的超微结构变化。 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 本研究的技术路线见图1 。 第三节技术路线 i形态、生长、生理、生化及细胞学等指标测定 ； F 蕊磊 墨一l | 水分关系相关指标ll _ 墨互翟翟叠；：；l L j 一； - 口 兰 P o 孑 1 三 厶 e 匿互 细 胞 学 证 据 图1 技术路线 4 寻鬻 一一一lli一一一。 一一一ill一一一；： 第二章国内外研究现状 第二章国内外研究现状 第一节植物对干旱胁迫、铅胁迫及旱铅双重胁迫的响应 1 植物对干旱胁迫的生理生态响应及研究进展 由于全球气候的改变( I P C C ，2 0 0 7 ) ，水资源短缺越来越成为限制森林生态系统生产 力的重要因素。干旱频率的增加对森林生态系统树木的存活有很大的影响，导致森林生 态系统生产力急剧下降。在中国，干旱、半干旱地区的总面积约占全国总面积的一大半， 而该区域的森林生态系统构成了我国陆地生态系统生物量、净初级生产力和生物多样性 的相当一大部分，干旱将对我国森林生态系统产生严重的不利影响。在这其中雌雄异株 森林生态系统尤其脆弱，受气候变化的影响也将更加明显。在半干旱地区，全球气候改 变将引起温度梯度和降雨模式的明显改变，并增加极端气候事件的频率和强度( 如干旱) f I P C C ，2 0 0 7 ) 。鉴于全球和区域性变化，了解森林生态系统对干旱的响应对于预测自然 森林生态系统种群的变化和调整林业经营管理模式至关重要。由于所有生物地球化学过 程均由气候驱动，干旱事件的增加不仅会影响森林生态系统的碳收益和碳损失，也会通 过影响物候及树木的生物化学、生理学和形态解剖学，进而影响其生长发育( S c h w a r t z ， 1 9 9 9 ；M o r i s o n M o r e c r o f t ，2 0 0 6 ) 。植物个体在受到干旱胁迫时，体内会产生一系列的形 态、生理、生化、细胞及基因表达的变化，以减轻或延缓缺水对植物的伤害，这些变化 通常体现在叶面积减少、叶片脱落、根冠比增加、气孔关闭、光合作用抑制、细胞渗透 调节物增加、保护酶系统建立、水流阻力增加、叶片蜡质沉积、叶片能量耗散改变、景 天酸代谢途径( C A M ) 启动( 一些植物) 、基因表达改变以及信号转导通路改变等方面。 1 1 干旱对植物光合作用的影响 干旱对光合作用的影响是植物对干旱胁迫生理学响应的一个最重要部分( F l e x a se t 以2 0 0 4 a ) 。干旱条件下，由于气孔关闭，从大气到羧化作用位点的C 0 2 扩散下降，导致 光合作用下降( C e n t r i t t oe ta 1 ，2 0 0 3 ；F l e x a se ta 1 ，2 0 0 4 a ，b ，2 0 0 9 ；C h a v e se ta 1 ，2 0 0 9 ) 。一些 研究表明，干旱使得叶片含水量下降以及离子浓度增加，进而导致新陈代谢受损，而相 比于气孔关闭，这种代谢损伤对光合作用的影响更大( T e z a r ae ta 1 ，1 9 9 9 ，2 0 0 2 ；T a n ge ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。此外，值得注意的是，叶片内部C 0 2 扩散下降( 如叶肉导度降低，g m ) 也是干旱条 件下光合作用损伤的一个潜在原因( F l e x a se ta 1 ，2 0 0 2 ；G a l m 6 se ta 1 ，2 0 0 7 a ) 。 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 1 1 1 扩散限制和生物化学限制 在植物的干旱胁迫响应中，气孔关闭是最早出现的一个生理学事件，由于气孔导度 ( 热) 与净光合作用( P n ) 之间存在很强的正相关性，通常认为在干旱条件下，气孔关闭减少 T c 0 2 吸收而导致光合作用下降。一些研究表明，在干旱条件下，如果增加C 0 2 浓度或 剥掉叶片的上表皮，光合作用可以被完全恢复，该研究支持了气孔限制这一理论 f S c h w a be ta 1 ，1 9 8 9 ) ，但是另外一些研究却表明通过这两种办法并不能将光合作用恢复 到对照水平( T e z a r ae ta 1 ，1 9 9 9 ；T a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) 。这些相反的研究结论使得在干旱条件 下，气孔或非气孔限制( 生物化学限制) 是否是光合作用下降的主要原因这一科学问题变 得更具争议。T e z a r ae ta 1 ( 1 9 9 9 ) 等的研究对这一争论影响很大，他们的研究表明，干旱 条件下，叶绿体A T P a s e 活性下降导致光合磷酸化受损是限制光合作用的主要因素。最近 一些研究重新分析了基于气孔导度的数据，通过对这些数据的分析，已经就不同干旱胁 迫强度对光合作用相关参数影响这一问题达成了广泛共识( F l e x a se ta 1 ，2 0 0 4 a ，b ，2 0 0 6 a ， b ；G a l m 6 se ta 1 ，2 0 0 7 a ；Z h o ue ta 1 ，2 0 0 7 a ) 。该共识具体内容如下： 阶段1 ：轻度水分胁迫( g s O 1 5m o lH 2 0 m 。2s - 1 ) 。随着水分亏缺的逐渐增加，g s 从最 大值下降到约0 1 5m o lH 2 0m 2s ，此阶8 t g s 下降是P n 降低的唯一原因。线性电子传递速 率( E T R ) 、叶肉导度( g m ) 、光合作用相关酶活性、P S I I 最大光量子效率( R 假n ) 及最大羧化 速度( 圪，m 觚) 等保持不变。随着胞I 司C 0 2 浓度( C i ) 和羧化部位f l 【勺C 0 2 浓度( C c ) 的下降，光呼 吸速率逐渐增加。 阶段2 ：中度水分胁迫( 0 1 5 g s O 0 5m o lH 2 0 n l 2s - i ) 。在这一阶段，凰进一步降低， 并伴随有g m 的大幅度下降。一些研究表明g m 降低与一些水通道蛋白丰度的改变有关 ( F l e x a se ta 1 ，2 0 0 6 c ；M i y a z a w ae ta 1 ，2 0 0 8 ) ，尽管如此，仍需要开展进一步的研究以充分 阐明C 0 2 的内部扩散是如何被调控的。在该阶段，E T R 出现了小幅度但是明显地减少， 同时叶绿素荧光非光化学淬灭( N P Q ) 、抗氧化酶活性和非酶抗氧化剂数量细微增加。这 些响应表明叶子正在为更加严重的干旱胁迫做准备。在该阶段如果使用传统的气体交换 分析( 且O P n C i 曲线) 来评估非气孔限制的存在，会得出圪m 积下降这一错误结论。事实上， 圪，m 缸的表面下降只是受到g m 降低的影响。P n C c 曲线分析显示在该阶段圪m 觚几乎恒定不 变。如果不考虑g m 的影响还会错误估计E T R 最大速率。) ( C e n t r i t t oe ta 1 ，2 0 0 3 ； A g a n c h i c he ta 1 ，2 0 0 9 ) 。 阶段3 ：严重水分胁迫憾 0 0 5m o lH 2 0 m 。2s - 1 ) 。当昏低于该阈值时，尽管一小部分 研究表明植物光合作用能力不受影响，但是大多数研究显示植物光合作用能力被严重破 坏。有趣的是，在新陈代谢损伤的同时，通常伴随有光合作用相关酶活性的抑制、叶绿 素和蛋白质含量的下降以及光合作用系统的永久损伤，这些变化表明叶片正在经受氧化 胁迫、衰老的诱发以及叶片养分的转：i 云_ ( M u n n e B o s c he ta 1 ，2 0 0 1 ) 。新陈代谢损伤受调控 第二章国内外研究现状 系统的严格调控，包括较低的蜃下，C c 降低而导致的R u b i s c o 酶活性的下降( F l e x a se ta l , ， 2 0 0 6 b ；G a l m 6 se ta 1 ，2 0 11 a b , ) 。但是，这些损伤是否来源于R u b i s c o ：激活状态的减少、酶 浓度的减少、和或酶抑制剂浓度的增加则取决于植物类型和干旱胁迫处理方法饵o t ae t a l , ，2 0 0 4 ；F l e x a se ta L ，2 0 0 6 c ) 。 1 1 2 次级氧化胁迫 干旱条件下，当叶绿体中可利用的C 0 2 浓度急剧减少时，在卡尔文循环中，用于C 0 2 同化的电子利用减少，过多的电子可能被用于其它过程，如原初反应或热耗散。后者是 胁迫条件下植物光保护的一个主要手段( D e m m i g - A d a m s A d a m s ，2 0 0 6 ) 。但是，当这些 过程饱和时，E T R 组件就会被过度还原，将电子转移给光系统I 的氧分子或者进行米勒 反应( M e h l e rr e a c t i o n ) 。在这一过程中活性氧( R O S ) ，如超氧阴离子( 0 2 ) 、过氧化氢( H 2 0 2 ) 和羟基自由基大量产生，如果不被植物有效清除，就会对光合作用器官产生次级氧化损 伤。 1 2 干旱对植物根部的影响 1 2 1 干旱对植物根形态和解剖特性的影响 干旱胁迫对植物最常见的影响就是诱发根茎比增加( W U & C o s g r o v e ；2 0 0 0 ) 。这种改 变可能仅仅由于地上部分生长减少，而根系生长并未发生变化( Z o l l i n g e re t a l ，2 0 0 6 ) ，或 者植物对根系生长的投资加大( M c M i c h a e l Q u i s e n b e r r y , 1 9 9 1 ) ，抑或是地上部分生长受 抑制较多，而根生长受抑制较少( L i ，1 9 9 8 ) 。干旱条件下根茎比增加，植物可以拓展更大 的土壤空间，并从中吸收更多的水分。然而在根茎比和干旱容忍性间并未发现明显的联 系( M c M i c h a e l Q u i s e n b e r r y , 1 9 9 1 ；L i ，1 9 9 8 ；M a t s u i & S i n g h ，2 0 0 3 ；Z o l l i n g e re ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 这种相关性的缺乏可能与植物根吸水能力存在差异有关。另一方面，在干旱条件下，根 长度或根长密度( R E D ) 与干旱胁迫容忍性也密切相关。如G r z e s i a ke ta 1 ( 1 9 9 9 ) 发现在干旱 条件下，干旱容忍的玉米品种比干旱敏感的玉米品种具有更长的次生根。J o n g r u n g k l a n g e ta l , ( 2 0 1 1 y 观察到深层土壤的根密度和产量之间存在一定的相关性。然而值得注意的是， 尽管在干旱条件下，根生长和干旱容忍性间可能存在相关f 生( J o n g r u n g l d a n ge ta 1 ，2 0 1 1 ) ， 但很明显单独的根生长参数无法解释根的较高水分吸收能力。K o n d oe ta 1 ( 2 0 0 0 ) 发现， 在严重干旱条件下，相比于水稻，玉米可以从土壤深层吸收更多的水，这不仅是因为玉 米根系统发达，而且也因为玉米单位根表面积具有较高的水分吸收能力。因此，显然根 存在某种内在的属性( 如凯氏带) 使得在干旱条件下，某些根具有更高的水分吸收效率。 如研究发现，干旱条件下，植物根部凯氏带等障碍增加，从而降低了根的水分吸收能力 青杨( P o p u l u sc a t h a y a n a ) 雌雄植株及其交互嫁接对干旱和铅胁迫的生理生态响应差异 ( 水压传导，L p ) ( H u a n g & N o b e l ，1 9 9 2 ；S t e u d l e ，2 0 0 0 ) 。但是最近研究也发现，这些凯氏带 等障碍并不总是会减少根的水压传导，女D R a n a t h u n g ee t 口正( 2 0 1 1 ) 研究发现凯氏带的发育、 软木脂层的增加及厚壁组织的木质化并没有对根水压传导产生影响。 1 2 2 干旱对植物根水压传导的影响 根水压传导特性对干旱非常敏感( A r o c ae ta 1 ，2 0 1 2 ) ，很多研究发现，干旱胁迫会减 少根水压传导( N o r t h & N o b e l ，1 9 9 1 ，1 9 9 8 ；A r o c ae ta 1 ，2 0 0 6 ) 。但是在一些特殊的环境条 件下或对于特定的基因型来说，干旱则增加了根水压传导( W i k b e r g i & O g r e n i ，2 0 0 7 ； A l s i n ae ta 1 ，2 0 1 1 ) 。! t D W i k b e r g i & O g r e n i ( 2 0 0 7 ) 对柳树的研究发现在中度干旱条件下，地 上部分水压传导和根水压传导之间的比值越高，生物量